大直徑球形倉(cāng)地基基礎(chǔ)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)研究

郭立志，王正宇，趙光思，金迎港，楊大龍

(1.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116)

隨著資源的日益緊張和人們對(duì)工程環(huán)境效益的關(guān)注，實(shí)現(xiàn)巖土工程結(jié)構(gòu)的低碳化、經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)和施工迫在眉睫。國(guó)內(nèi)煤炭行業(yè)，一種存儲(chǔ)空間大、環(huán)境友好型的結(jié)構(gòu)——?dú)饽や摻罨炷榴讽斍蛐蝹}(cāng)，被成功引進(jìn)[1-4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了該新型煤倉(cāng)的上部結(jié)構(gòu)受力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[5-9]、剛性樁復(fù)合地基的受力機(jī)制[10-14]及沉降的計(jì)算[15-18]和沉降等自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法[19-21]，為該球倉(cāng)的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)，但很少有研究大直徑球倉(cāng)采用環(huán)形基礎(chǔ)加剛性復(fù)合地基的案例，球形倉(cāng)整體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與荷載的傳遞形式，環(huán)形基礎(chǔ)與復(fù)合地基之間荷載傳遞的機(jī)理等都需要進(jìn)一步地去探究。本文以陜西榆林大海則原煤球形倉(cāng)為工程背景，設(shè)計(jì)了一套安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)施工期及運(yùn)營(yíng)期球形倉(cāng)主體結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的受力狀態(tài)和土體的分層沉降，用來分析大直徑球形倉(cāng)的安全性和可靠性，并為該球形倉(cāng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考和建議。

1 工程概況

陜西榆林大海選煤廠的原煤球形倉(cāng)采用氣膜鋼筋混凝土穹頂結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由氣膜鋼筋混凝土球倉(cāng)主體、倉(cāng)下暗道、框架結(jié)構(gòu)的提升間、倉(cāng)上建筑及1號(hào)轉(zhuǎn)載點(diǎn)組成。倉(cāng)體主體直徑66m，高度66.50m，設(shè)計(jì)最大儲(chǔ)煤量10萬t，是我國(guó)目前最大的原煤球形倉(cāng)。球形倉(cāng)采用獨(dú)立環(huán)形基礎(chǔ)，倉(cāng)下有4條寬6.8m，高8.3m的拱形暗道，暗道連接倉(cāng)內(nèi)漏斗，如圖1所示。氣膜鋼筋混凝土球形倉(cāng)結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)：占地面積小、倉(cāng)體容積大、施工工期短且速度快、節(jié)能環(huán)保、剛度大、受力特性及耐久性好、外形美觀。

圖1 球形倉(cāng)剖面

2 巖土工程勘察及地基處理

2.1 巖土工程概況

該選煤廠位于陜北侏羅紀(jì)煤田北部，屬于華北地層區(qū)鄂爾多斯盆地分區(qū)。地區(qū)地層由老至新有：三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y)，侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)，侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統(tǒng)洛河組(K1l)，新近系(N)及第四系(Q)。

根據(jù)巖土工程詳勘鉆探結(jié)果，場(chǎng)地內(nèi)地層特性按其物理力學(xué)性質(zhì)的差異，可分為9個(gè)工程地質(zhì)層，3個(gè)工程地質(zhì)亞層。球形倉(cāng)周圍部分鉆孔巖性如圖2所示。

圖2 球形倉(cāng)周圍鉆孔巖性

擬建場(chǎng)地位于同一地質(zhì)單元，無采空區(qū)、滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象和暗浜、塌陷等不良地質(zhì)作用，適宜作為建筑場(chǎng)地使用。

2.2 地基處理

根據(jù)地基土工程性質(zhì)評(píng)價(jià)，場(chǎng)地地層在水平和垂直方向上均有一定的差異?；谝陨咸卣?，并結(jié)合大直徑球形倉(cāng)大跨空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用素混凝土長(zhǎng)短樁復(fù)合地基，共計(jì)3726根樁，如圖3所示。樁直徑400mm，中心距1200mm，等邊三角形布置，有效樁長(zhǎng)有15m、16m、8m和18m四種規(guī)格，素混凝土樁施工完成后鋪設(shè)250mm厚碎石褥墊層。

圖3 球倉(cāng)地基處理素混凝土樁平面布置

3 球形倉(cāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1 地基土壓力監(jiān)測(cè)

為掌握該大跨空間結(jié)構(gòu)復(fù)合地基的受力情況及分布特點(diǎn)，考慮結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，選擇具有代表性受力的斷面布置傳感器。在1#暗道北側(cè)、1#和2#暗道之間和2#暗道南側(cè)共埋設(shè)量程為600kPa的土壓力盒共7支。具體測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 地基基底壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3.2 環(huán)形基礎(chǔ)應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)

由于球形倉(cāng)的占地面積和跨度較大，場(chǎng)地周圍土層分布的不均勻性，為掌握環(huán)形基礎(chǔ)實(shí)際的受力狀態(tài)，所以在環(huán)形基礎(chǔ)選擇3個(gè)典型的斷面進(jìn)行基底壓力監(jiān)測(cè)。每斷面分別在基底按1m間距布設(shè)土壓力盒5支(分別布置在樁上和樁間土上，來獲得樁頂應(yīng)力和樁間土應(yīng)力)。另在西北方位1#暗道底部及1#和2#暗道之間的環(huán)形基礎(chǔ)下部安裝2支土壓力盒，掌握環(huán)形基礎(chǔ)在暗道周圍的受力，如圖5所示。

圖5 環(huán)形基礎(chǔ)基底壓力監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

在環(huán)形基礎(chǔ)、基礎(chǔ)直墻段和側(cè)壁埋設(shè)應(yīng)變計(jì)和土壓力盒，如圖6所示。其中為進(jìn)一步把握環(huán)形基礎(chǔ)直墻段內(nèi)外拉應(yīng)力的不同，于環(huán)形基礎(chǔ)南側(cè)單獨(dú)安裝4支內(nèi)、外排環(huán)向應(yīng)變計(jì)。

圖6 環(huán)形基礎(chǔ)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面和剖面

3.3 暗道壓力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)

為準(zhǔn)確把握暗道在反復(fù)堆煤和出煤過程中的受力狀態(tài)，選擇2#暗道(中間及靠東四分之一斷面)和1#暗道(中間斷面)在直墻距離碎石墊層1.5m高位置、直墻與拱圓相交位置以及仰拱頂各選取1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中1#暗道中間斷面和2#暗道靠東四分之一斷面監(jiān)測(cè)的是土壓力與三向應(yīng)變，2#暗道中間斷面監(jiān)測(cè)的是土壓力和雙向應(yīng)變。合計(jì)需要應(yīng)變計(jì)23支，土壓力盒6支，土壓力盒量程為400kPa，測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。

圖7 暗道監(jiān)測(cè)平面布置和斷面布置

3.4 土體側(cè)向土壓力及分層沉降監(jiān)測(cè)

依據(jù)土層分布、現(xiàn)場(chǎng)建筑物位置和施工進(jìn)度等，在球形倉(cāng)西北方位鉆5個(gè)孔分別埋設(shè)土壓力盒和分層沉降計(jì)。測(cè)點(diǎn)1#、2#和3#分別距離直墻段6.5m、8.5m和10.5m，且三點(diǎn)位于一條穿過球形倉(cāng)中心的直線上，4#和5#分別位于距離直墻段6.5m和8.5m，同樣其兩點(diǎn)的連接線過球形倉(cāng)中心，如圖8所示。

圖8 測(cè)點(diǎn)布置(mm)

測(cè)點(diǎn)1#、2#和3#為土壓力測(cè)點(diǎn)，在距地面8m、12m、17m、23m和24m處，土壓力盒豎向放置，用于監(jiān)測(cè)側(cè)向土壓力，距地面23.5m處土壓力盒橫向放置，用于監(jiān)測(cè)豎向土壓力。測(cè)點(diǎn)4#和5#為沉降測(cè)點(diǎn)，布置分層沉降計(jì)，其中4#測(cè)點(diǎn)埋設(shè)觀測(cè)六層沉降，分別為6m、10m、14m、18m、24m和30m；5#測(cè)點(diǎn)埋設(shè)觀測(cè)五層沉降，分別為6m、10m、14m、18m和23m。分層沉降計(jì)采用電感調(diào)頻式的多點(diǎn)位移傳感器，由傳感器、測(cè)桿、PVC保護(hù)管、錨固頭等部分組成，在不同的深度下放錨固頭，用測(cè)桿將錨固頭和傳感器連接，當(dāng)某一深度的土體發(fā)生沉降時(shí)，該處的錨固頭帶動(dòng)測(cè)桿向下移動(dòng)，傳感器產(chǎn)生讀數(shù)。該分層沉降計(jì)采用全數(shù)字監(jiān)測(cè)，精度高，靈敏度高，受溫度影響較小，抗干擾能力強(qiáng)，適用于長(zhǎng)期測(cè)量和遠(yuǎn)距離傳輸。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

所有自動(dòng)采集模塊之間采用485有線的方式進(jìn)行通訊，交匯于地面安裝的中央控制器，采用無線發(fā)射裝置可實(shí)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。球倉(cāng)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖9所示。球倉(cāng)2021年10月底開始落煤，圖9(a)可以看出，落煤后22m深度范圍內(nèi)(加固區(qū))沉降量增大趨勢(shì)明顯，表明堆煤荷載產(chǎn)生的沉降主要集中在下臥層，且30m深度范圍內(nèi)沉降量最大約為34.85mm；圖9(b)表明，堆煤期間越靠近球倉(cāng)中心的暗道的側(cè)壁所受壓力越大，但在施工期間越靠近外側(cè)的暗道所受壓力越大，這可能是由于外壁噴射混凝土導(dǎo)致；由圖9(c)數(shù)據(jù)顯示，環(huán)形基礎(chǔ)豎向微應(yīng)變累積量隨堆煤荷載最大可達(dá)-184με，約為徑向微應(yīng)變累積量的兩倍。在剛性樁樁端深處附近，圖9(d)數(shù)據(jù)顯示越靠近復(fù)合地基測(cè)得的側(cè)向應(yīng)力值越大，約為235kPa。

圖9 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)典型部位監(jiān)測(cè)結(jié)果

環(huán)形基礎(chǔ)豎向應(yīng)變累積量遠(yuǎn)大于徑向累積量，說明堆煤對(duì)豎向應(yīng)力的影響要大于徑向應(yīng)力；與現(xiàn)場(chǎng)施工日志核對(duì)，卸煤只是減緩了累積速度，二次堆煤后應(yīng)變累積趨勢(shì)再次加快。環(huán)形基礎(chǔ)施工時(shí)應(yīng)對(duì)混凝土做好養(yǎng)護(hù)等，確保環(huán)形基礎(chǔ)的強(qiáng)度，防止在反復(fù)堆煤、卸煤時(shí)產(chǎn)生蠕變或者剪切破壞。

落煤之前暗道側(cè)壁的壓力值最大出現(xiàn)在1#暗道中間斷面北側(cè)，這說明落煤前，整體結(jié)構(gòu)荷載向下傳遞的方位偏向于球倉(cāng)外側(cè)，分析原因可能有內(nèi)部噴射混凝土和倉(cāng)內(nèi)漏斗的施工堆載有關(guān)；相比而言，落煤之后緊靠球倉(cāng)中心的2#暗道側(cè)壁數(shù)值增大較為顯著，猜測(cè)可能與落煤的位置有很大的關(guān)系。大直徑球倉(cāng)在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，偏向結(jié)構(gòu)中心的暗道受力強(qiáng)度應(yīng)符合滿堆煤時(shí)的荷載核算，偏向結(jié)構(gòu)外側(cè)的暗道要根據(jù)施工期間的荷載重點(diǎn)關(guān)注。

對(duì)于復(fù)合地基，堆煤階段荷載增加引起的沉降主要由下臥層承擔(dān)，復(fù)合地基剛性樁很好限制了加固區(qū)的沉降，24m以下范圍由于砂巖的存在沉降量差別不大。在相同深度，隨著測(cè)點(diǎn)越靠近復(fù)合地基，測(cè)得側(cè)向土壓力值越大且波動(dòng)明顯，表明受剛性樁復(fù)合地基的影響明顯；此外，同一測(cè)點(diǎn)的側(cè)向土壓力隨深度增加而增大，最大值位于剛性樁的樁端，可能是在上部荷載作用下有向外運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，對(duì)周圍土體產(chǎn)生明顯的擠壓效果。復(fù)合地基設(shè)計(jì)施工時(shí)可適當(dāng)擴(kuò)大剛性樁的布置范圍或夯實(shí)周圍土體等措施以防止剛性樁樁端在受荷載時(shí)外擴(kuò)，從而導(dǎo)致更大的沉降量。

5 結(jié) 語(yǔ)

此類球形倉(cāng)作為特殊的大跨空間結(jié)構(gòu)，在國(guó)內(nèi)引進(jìn)晚，使用率不高，尚無成熟的設(shè)計(jì)、使用規(guī)范，尤其地基承載力計(jì)算與驗(yàn)算等關(guān)鍵技術(shù)仍待攻關(guān)。通過結(jié)合球形倉(cāng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、工程地質(zhì)條件以及地基處理等參數(shù)，設(shè)計(jì)了一套多方位、多層面的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。初步成果表明該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置合理，自動(dòng)化程度高，可充分掌握暗道等上部結(jié)構(gòu)、環(huán)形基礎(chǔ)及復(fù)合地基的受力特點(diǎn)，也可進(jìn)一步掌握大直徑球形倉(cāng)運(yùn)營(yíng)期間球倉(cāng)各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力疲勞響應(yīng)及安全運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，為此后的設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。